(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の、単セルを用いた発電試験を行うに際して、準備するサンプル量を最小限にし、単セル組み立てや運転に熟練を要することなく、開発コストや時間削減に有効な、実験室内で使用される燃料電池試験装置を提供する。【解決手段】ハンドル式のホットプレス装置であって、該ホットプレス装置の上下熱プレート間に挟みこまれる単セル１を備えたホットプレス装置２と、ホットプレス装置に装備される精密圧力計３を備え、単セルには２ｃｍ２程度の膜・電極接合体が装着される。単セルには、カセット式に組み込み可能なガス流路を装備する。単セルに内容積３００〜４００ｍｌの小型加湿器５が接続され、内部が上下２つの部分に分かれ、下室には純水が満たされ加熱用ヒーター及びガスのバブリング機構、上室には温度センサーを配置し、外部出口から水蒸気飽和ガスが充満し単セルに導入される機構を有するだけでなく、純水を自動的に補う。【選択図】図３
0003226768.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ハンドル式のホットプレス装置に精密圧力計を装備し、ホットプレスの上下熱プレート間に２ｃｍ２程度の最小面積を有する膜・電極接合体を装着した単セルを挟み込む形状の燃料電池試験装置であって、ホットプレスは膜・電極接合体を作製する際にも使用でき、また単セル発電試験の際には燃料電池を加熱保持するため、２台の装置を１台で実現し、設備の省力化に役立つだけでなく、単セルの締め付けを短時間で高精度・均一に行うことで、従来不可能であった測定を可能にすることを特長とした装置。
【請求項２】
上記単セルのガス流路において、流路幅や流路パターンを種々備えたいくつかの試作品を準備し、これらをカセット式に組み込むだけで種々の単セルを試作、試験することができることを特長とした装置。
【請求項３】
上記小型単セル運転に際して、反応ガスを水蒸気で加湿する際に使用する、内容積３００〜４００ｍｌの小型加湿器であって、内部が上下２つの部分に分かれ、下室では純水中にガスがバブリングされ上室に充満した後、外部出口から水蒸気飽和ガスが単セルに導入される。この際純水を加熱するヒーターは下室部に、温度センサーは上室に配置することで、水蒸気飽和を高く維持したガスが出口から供給されることを特長とした小型加湿器。また、純水を補う際に内部を開けることなく加湿器上部に設けられた純水タンクから自動的に供給される機構を有することを特長とした小型加湿器。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、燃料電池材料試験用の単セル試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  燃料電池は水素ガス（その他にもメタノールなどの燃料が用いられることもある）と空気中の酸素ガスの反応に伴う化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換するクリーンで効率の良い発電装置であり、燃料電池自動車、家庭用エネファームなど広く普及が期待されている。商業化に伴う課題は材料コストの削減であり、現在でも新規材料開発の基礎研究が続けられている。
燃料電池の基礎単位は「単セル」と呼ばれる構成要素で、通常約２００ｃｍ２の段面積を有し厚さ約３ｍｍの発電部分であり、燃料電池自動車ではこれが１００枚程度積層されて動力源となっている。そのため、研究室では基礎単位である単セルを用いて材料試験が行われるのが一般的である。
単セルを構成する材料として重要なのは（１）ガス反応が進行するために不可欠な材料である触媒層（白金担持カーボン粒子等が用いられる）、（２）水素ガス側と空気側を隔てる隔膜で、かつ水素イオンを伝導する５０μｍ厚さ程度の高分子電解質膜（例として、米デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」を代表例とするパーフルオロカーボンスルホン酸膜等が挙げられる）、（３）触媒層が塗布されガス拡散層を兼ねる０．３ｍｍ程度のシート状カーボン多孔質材料、及び（４）水素あるいは空気（酸素）が流通するガス流路と呼ばれる、カーボンあるいは金属製材料、などからなっている。これらの材料を金属製集電体で挟み、外部回路との間で電流を流すことで発電試験が行われる。【０００３】  上記単セルの中で、高分子電解質膜と水素極（あるいは燃料極）および空気極の触媒層及び支持体であるカーボン多孔質材料（ガス拡散層）が組み合わさったものは「膜・電極接合体」と呼ばれ、発電ユニットの重要な構成要素であり、燃料電池の心臓部である。燃料電池研究者は膜・電極接合体の種々構成要素を開発し、最終的に単セルを用いた発電試験により材料の評価を行っている。従って、多種の材料を広範囲に評価するためには、実用燃料電池のような大型のものではなく、通常面積５〜２５ｃｍ２程度の小型の単セルが用いられる。しかしこの大きさでも準備するサンプル量がかさみコストがかかるため、一般の研究者にとって負担が大きいという問題がある。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は、面積２ｃｍ２程度の小型燃料電池単セルを運転・計測するための装置であって、ハンドル式締め付け機構を持ったホットプレスと燃料電池単セルとを１台の装置で実現するものである。これによって、燃料電池材料研究者が少ないサンプル量で膜・電極接合体を作製し評価することを可能にする。また小型であるため単セル組み立てや運転に熟練を要することなく、実験室内において少量・多品種の材料を研究開発することが可能となり、燃料電池開発と普及・商業化の促進に寄与することが期待される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明者は燃料電池材料開発に長年携わってきた中で、膜・電極接合体を評価する試験措置が大型で高額なのを不便に感じてきた。また、単セル試験だけでなく膜・電極接合体を作製するに当たって「ホットプレス」と呼ばれる熱圧着装置を別に準備する必要があり、研究開発費がかさむことから、材料研究者にとって開発したサンプルを評価する際のネックになっているのではないかと考えてきた。
従来の単セル試験装置は、小さいものでも４ｃｍ２程度の面積を有する膜・電極接合体を準備しなければならず、従って材料作製にも時間と手間を要していた。上記問題点を解消するために、ホットプレスと単セルを一体化し、２ｃｍ２程度の最小面積でも測定できる試験装置の実現について鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。【０００６】  すなわち、上記課題は、以下の発明により解決される。
（１）ハンドル式のホットプレス装置に精密圧力計を装備し、ホットプレスの上下熱プレート間に単セルを挟み込む形状の燃料電池試験装置。
（２）ホットプレスは膜・電極接合体を作製する際にも使用でき（例として温度１２０〜１４０℃、圧力０．８〜１．５ｋＮｃｍ−２程度、ホットプレス時間１〜５分等）、また単セル発電試験の際には燃料電池を加熱保持する（例として温度６０〜８０℃、圧力２〜３ｋＮｃｍ−２程度）際にも使用できるため、２台の装置を１台で実現し、設備の省力化に役立つことを特長とした装置。
（３）通常の単セルは組み立てる際に、図１に示すように単セルの面に垂直に貫通する４〜８箇所の穴にボルト・ナットを差し込み、スプリングワッシャを設けてトルクレンチなどで締め付けていた。一方本装置では、ホットプレスの平行面精度数十μｍ以下の精度でハンドル操作のみで均一に締め付けるため、単セルの締め付け工程がはるかに短時間で容易に達成できる。
（４）前記単セル試験装置において、膜・電極接合体が２ｃｍ２程度の最小面積であることを特長とした装置。同面積は、サンプル量を最小化すると同時に、単セルにガス流路を組み込むことを可能とする最小面積である。
（５）上記単セルのガス流路において、流路幅や流路パターンを種々備えたいくつかの試作品を準備し、これらをカセット式に組み込むだけで種々の単セルを試作、試験することができることを特長とした装置。
（６）上記ガス流路として、従来多く用いられてきた「サーペンタイン型」のみならず、必要に応じ「渦巻き型」、「フラクタル型」など新規パターンを容易に適用することを特長とした装置。
（７）上記小型単セル運転に際して、反応ガスを水蒸気で加湿する際に使用する、従来製品の半分程度の内容積３００〜４００ｍｌの小型加湿器。
（８）上記小型加湿器は内部が上下２つの部分に分かれ、下室では純水中にガスがバブリングされ上室に充満した後、外部出口から水蒸気飽和ガスが単セルに導入される。この際ガスは温度６０〜７０℃程度で水蒸気飽和（加湿）される必要があるが、純水を加熱するヒーターは下室部に、温度センサーは上室に配置することで、水蒸気飽和を高く維持したガスが出口から供給されることを特長とした小型加湿器。
（９）ガスをバブリングすることで加湿器内部の純水が消費されるが、従来品（内容積７００〜１０００ｍｌ程度）では水位計で内部水量を観察し、蓋を開けて純水を追加することを要した。これに対し、純水を補う際に内部を開けることなく加湿器上部に設けられた純水タンクから自動的に供給される機構を有することを特長とした小型加湿器。
【考案の効果】
【０００７】  本発明の「ホットプレス一体型小型単セル試験装置」は、装置全体が小型になるだけでなく、試験するサンプル量が最小で済むため、実験スペースや測定器の省力化に寄与し、燃料電池材料の試験開発に伴うコストや時間を大幅に削減することができる。これにより、燃料電池の普及・商業化に向けて大幅に貢献できる。
また、小型であるため膜・電極接合体の作製、単セル運転に熟練を要しないことを特長とし、高専や大学などでの演習や課外活動などにおける教材として、理科系人材の教育にも貢献することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の単セルの一例（写真）である。
【図２】従来のホットプレスの一例（写真）である。
【図３】本発明装置の外観（写真）の一例である。
【図４】本発明装置の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明装置に組み込むカセット式ガス流路の例として、種々の形状を示す。流路幅、流路深さなどは、０．３〜１ｍｍなど任意に設計できる。
【図６】本発明装置に使用される、小型加湿器の模式図を示す。
【図７】市販の４ｃｍ２単セル（左）と本単セル２ｃｍ２（右）との分極特性比較。黒線は実測した燃料電池の電圧−電流密度曲線（分極曲線）と出力−電流密度曲線、白抜き線及びグレー線はオーム抵抗補正をした電圧−電流密度曲線と出力−電流密度曲線である。ガス流量は４ｃｍ２単セルではＨ２５０ｍｌｍｉｎ−１（量論比２）、Ｏ２１００ｍｌｍｉｎ−１（量論比４）、２ｃｍ２本単セルではＨ２１３ｍｌｍｉｎ−１（量論比１）、Ｏ２２５ｍｌｍｉｎ−１（量論比２）で運転。
【図８】本単セルを用いて、締め付け圧を変化させたときのとの分極特性比較。左は最高出力密度、右は最大電流密度を示し、矢印は締め付け圧上げ下げの方向を示す。
【実施例】
【００９】  以下に本発明について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。【００１０】実施例１
ガス流路として、最も一般的に用いられるサーペンタイン型を採用し、加湿器温度６０℃、単セル温度７０℃の条件で、市販の面積４ｃｍ２単セルと面積２ｃｍ２の本装置における燃料電池分極特性を比較した結果を図７に示す。２ｃｍ２セルは、４ｃｍ２セルに比べてガス流量１／４にしても、オーム抵抗補正をすれば出力は同等の０．３１〜０．３４Ｗｃｍ−２を示すことが分かる。
［図７］市販の４ｃｍ２単セル（左）と本単セル２ｃｍ２（右）との分極特性比較。ガス流量は４ｃｍ２単セルではＨ２５０ｍｌｍｉｎ−１（量論比２）、Ｏ２１００ｍｌｍｉｎ−１（量論比４）、２ｃｍ２本単セルではＨ２１３ｍｌｍｉｎ−１（量論比１）、Ｏ２２５ｍｌｍｉｎ−１（量論比２）で運転。【００１１】実施例２
本単セルにおいて、各種ガス流路を用いた発電試験結果を表１に示す。流路としては、潜り込み型＞フラクタル型＞渦巻き型＞サーペンタイン型の順に優れ、安定性ではフラクタル型＞潜り込み型＞渦巻き型＞サーペンタイン型の順に優れた。
大まかな特徴として、（１）潜り込み型流路は高ガス流量で安定度が低下し、（２）渦巻き型流路は最大出力、最大電流が高く、低過電圧電流が良好、（３）サーペンタイン型では最大電流が良好であるが、低過電圧電流、最大出力が劣る、（４）フラクタル型では出力が安定しているが、最大電流が劣る、というような結果が見られた。
【表１】
0003226768.tif 000003
【００１２】実施例３
ホットプレスのヒーター板の平行度精度が非常に高いことを利用し、単セルを締め付ける際の締め付け圧が燃料電池性能に及ぼす影響を調べた結果を図８に示す。いずれの流路においても測定開始前に締め付け圧力を高い状態に維持した方が、低い状態に維持したよりも高い出力が得られるという、従来得られなかった結果が判明した。
このような実験は、装置のように単セル締め付けが均一にかつ短時間で完了する本ホットプレス一体型燃料電池試験装置を用いたことで可能となり、本装置の有用性が示された。
［図８］本単セルを用いて、締め付け圧を変化させたときのとの分極特性比較。左は最高出力密度、右は最大電流密度を示し、矢印は締め付け圧上げ下げの方向を示す。【００１３】実施例４
単セルを挟むホットプレスのヒーター板の加熱温度が水素極側と酸素極側とで独立にコントロールできる本装置の特長を生かして、一方の電極ヒーターを遮断し運転した場合の発電特性を調べた。その結果、両極ともヒーターを入れ７０℃に保った場合＞水素極のみヒータを遮断した場合＞酸素極のみヒータを遮断した場合の順に出力が低下した。
このような実験は本装置のようにホットプレス一体型燃料電池試験装置を用いたことで可能となり、本装置の有用性が示された。【００１４】実施例５
本装置の単セルを用いて、小型加湿器（内容積３５０ｍｌ）で加湿した場合と市販の加湿器（内容積７００ｍｌ）で加湿した場合の発電特性を比較した結果を表２に示す。
その結果、（１）小型加湿器はガス低流量条件で十分機能する、（２）小型加湿器は市販品の加湿器に比べ、性能はほぼ同等であることが分かった。更に、（３）市販加湿器では昇温に要する時間が１５〜２０分要したのに比べ、小型加湿器では１５分以下と短く、立ち上げ時間が短縮し、良好な性能を示すことが分かった。
【表２】
0003226768.tif 000004
【００１５】  以上の実施例において、燃料電池発電試験は次のように行った。
（水素及び酸素ガス供給）
本単セルでは
燃料極側ガスＨ２：１３乃至２５ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
空気極側ガスＯ２：２５乃至５０ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
比較例の市販単セルでは
燃料極側ガスＨ２：５０ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
空気極側ガスＯ２：１００ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
（燃料電池セル運転）
本単セル（電極面積２ｃｍ２）、比較例の市販の単セル（ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製、電極面積４ｃｍ２）とも、セル温度７０℃に保ち、０．１２Ｖｍｉｎ−１の速度で電位走査することによって、分極曲線を得た。また、カレントインタラプター法によりｉＲ補償を行った。
【図１】
0003226768.tif 000005
【図２】
0003226768.tif 000006
【図３】
0003226768.tif 000007
【図４】
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【図５】
0003226768.tif 000009
【図６】
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【図７】
0003226768.tif 000011
【図８】
0003226768.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月24日(2020.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ハンドル式のホットプレス装置であって、該ホットプレス装置の上下熱プレート間に挟みこまれる単セルを備えたホットプレス装置と、前記ホットプレス装置に装備される精密圧力計を備え、前記単セルには２ｃｍ２程度の膜・電極接合体が装着される燃料電池試験装置。
【請求項２】
前記単セルには、カセット式に組み込み可能なガス流路を装備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池試験装置。
【請求項３】
前記単セルに内容積３００〜４００ｍｌの小型加湿器が接続され、内部が上下２つの部分に分かれ、下室には純水が満たされ加熱用ヒーター及びガスのバブリング機構、上室には温度センサーを配置し、外部出口から水蒸気飽和ガスが充満し単セルに導入される機構を有するだけでなく、純水を自動的に補うため、加湿器上部に設けられた純水タンクから自動的に供給される機構を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池試験装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、燃料電池材料試験用の単セル試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  燃料電池は水素ガス（その他にもメタノールなどの燃料が用いられることもある）と空気中の酸素ガスの反応に伴う化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換するクリーンで効率の良い発電装置であり、燃料電池自動車、家庭用エネファームなど広く普及が期待されている。商業化に伴う課題は材料コストの削減であり、現在でも新規材料開発の基礎研究が続けられている。
燃料電池の基礎単位は「単セル」と呼ばれる構成要素で、通常約２００ｃｍ２の段面積を有し厚さ約３ｍｍの発電部分であり、燃料電池自動車ではこれが１００枚程度積層されて動力源となっている。そのため、研究室では基礎単位である単セルを用いて材料試験が行われるのが一般的である。
単セルを構成する材料として重要なのは（１）ガス反応が進行するために不可欠な材料である触媒層（白金担持カーボン粒子等が用いられる）、（２）水素ガス側と空気側を隔てる隔膜で、かつ水素イオンを伝導する５０μｍ厚さ程度の高分子電解質膜（例としてパーフルオロカーボンスルホン酸膜等が挙げられる）、（３）触媒層が塗布されガス拡散層を兼ねる０．３ｍｍ程度のシート状カーボン多孔質材料、及び（４）水素あるいは空気（酸素）が流通するガス流路と呼ばれる、カーボンあるいは金属製材料、などからなっている。これらの材料を金属製集電体で挟み、外部回路との間で電流を流すことで発電試験が行われる。【０００３】  上記単セルの中で、高分子電解質膜と水素極（あるいは燃料極）および空気極の触媒層及び支持体であるカーボン多孔質材料（ガス拡散層）が組み合わさったものは「膜・電極接合体」と呼ばれ、発電ユニットの重要な構成要素であり、燃料電池の心臓部である。燃料電池研究者は膜・電極接合体の種々構成要素を開発し、最終的に単セルを用いた発電試験により材料の評価を行っている。従って、多種の材料を広範囲に評価するためには、実用燃料電池のような大型のものではなく、通常面積５〜２５ｃｍ２程度の小型の単セルが用いられる。しかしこの大きさでも準備するサンプル量がかさみコストがかかるため、一般の研究者にとって負担が大きいという問題がある。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明者は燃料電池材料開発に長年携わってきた中で、膜・電極接合体を評価する試験措置が大型で高額なのを不便に感じてきた。また、単セル試験だけでなく膜・電極接合体を作製するに当たって「ホットプレス」と呼ばれる熱圧着装置を別に準備する必要があり、研究開発費がかさむことから、材料研究者にとって開発したサンプルを評価する際のネックになっているのではないかと考えてきた。
従来の単セル試験装置は、小さいものでも４ｃｍ２程度の面積を有する膜・電極接合体を準備しなければならず、従って材料作製にも時間と手間を要していた。上記問題点を解消するために、ホットプレスと単セルを一体化し、２ｃｍ２程度の最小面積でも測定できる試験装置の実現について鋭意検討した結果、本考案を完成するに至った。
本発明は、面積２ｃｍ２程度の小型燃料電池単セルを運転・計測するための装置であって、ハンドル式締め付け機構を持ったホットプレスと燃料電池単セルとを１台の装置で実現するものである。これによって、燃料電池材料研究者が少ないサンプル量で膜・電極接合体を作製し評価することを可能にする。また小型であるため単セル組み立てや運転に熟練を要することなく、実験室内において少量・多品種の材料を研究開発することが可能となり、燃料電池開発と普及・商業化の促進に寄与することが期待される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】（１）ハンドル式のホットプレス装置に精密圧力計を装備し、ホットプレスの上下熱プレート間に２ｃｍ２程度の最小面積を有する膜・電極接合体を装着した小型単セルを挟み込む形状の燃料電池試験装置であって、
（２）前記単セルには、カセット式に組み込み可能なガス流路を装備し、
（３）前記単セルに内容積３００〜４００ｍｌの小型加湿器が接続され、内部が上下２つの部分に分かれ、下室には純水が満たされ加熱用ヒーター及びガスのバブリング機構、上室には温度センサーを配置し、外部出口から水蒸気飽和ガスが充満し単セルに導入される機構を有するだけでなく、純水を自動的に補うため、加湿器上部に設けられた純水タンクから自動的に供給される機構を有する。
【実施形態】
【０００６】（１）ハンドル式のホットプレス装置に精密圧力計を装備し、ホットプレスの上下熱プレート間に単セルを挟み込む形状の燃料電池試験装置。
（２）ホットプレスは膜・電極接合体を作製する際にも使用でき（例として温度１２０〜１４０℃、圧力０．８〜１．５ｋＮｃｍ−２程度、ホットプレス時間１〜５分等）、また単セル発電試験の際には燃料電池を加熱保持する（例として温度６０〜８０℃、圧力２〜３ｋＮｃｍ−２程度）際にも使用できるため、２台の装置を１台で実現し、設備の省力化に役立つ。
（３）通常の単セルは組み立てる際に、図１に示すように単セルの面に垂直に貫通する４〜８箇所の穴にボルト・ナットを差し込み、スプリングワッシャを設けてトルクレンチなどで締め付けていた。一方本装置では、ホットプレスの平行面精度数十μｍ以下の精度でハンドル操作のみで均一に締め付けるため、単セルの締め付け工程がはるかに短時間で容易に達成できる。
（４）前記単セル試験装置において、膜・電極接合体が２ｃｍ２程度の最小面積であることを特長とした装置。同面積は、サンプル量を最小化すると同時に、単セルにガス流路を組み込むことを可能とする最小面積である。
（５）上記単セルのガス流路において、流路幅や流路パターンを種々備えたいくつかの試作品を準備し、これらをカセット式に組み込むだけで種々の単セルを試作、試験することができる。
（６）上記ガス流路として、従来多く用いられてきた「サーペンタイン型」のみならず、必要に応じ「渦巻き型」、「フラクタル型」など新規パターンを容易に適用することを特長とする。
（７）上記小型単セル運転に際して、反応ガスを水蒸気で加湿する際に使用する、従来製品の半分程度の内容積３００〜４００ｍｌの小型加湿器が接続される。
（８）上記小型加湿器は内部が上下２つの部分に分かれ、下室では純水中にガスがバブリングされ上室に充満した後、外部出口から水蒸気飽和ガスが単セルに導入される。この際ガスは温度６０〜７０℃程度で水蒸気飽和（加湿）される必要があるが、純水を加熱するヒーターは下室部に、温度センサーは上室に配置することで、水蒸気飽和を高く維持したガスが出口から供給されることを特長とする。
（９）ガスをバブリングすることで加湿器内部の純水が消費されるが、従来品（内容積７００〜１０００ｍｌ程度）では水位計で内部水量を観察し、蓋を開けて純水を追加することを要した。これに対し、本小型加湿器は、純水を補う際に内部を開けることなく加湿器上部に設けられた純水タンクから自動的に供給される機構を有することを特長とする。
【考案の効果】
【０００７】  本発明の「ホットプレス一体型小型単セル試験装置」は、装置全体が小型になるだけでなく、試験するサンプル量が最小で済むため、実験スペースや測定器の省力化に寄与し、燃料電池材料の試験開発に伴うコストや時間を大幅に削減することができる。これにより、燃料電池の普及・商業化に向けて大幅に貢献できる。
また、小型であるため膜・電極接合体の作製、単セル運転に熟練を要しないことを特長とし、高専や大学などでの演習や課外活動などにおける教材として、理科系人材の教育にも貢献することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の単セルの一例（写真）である。
【図２】従来のホットプレスの一例（写真）である。
【図３】本発明装置の外観（写真）の一例である。（符号の説明）１  単セル  ２  ホットプレス機  ３  締め付け圧計  ４  単セル温度コントローラ  ５  小型加湿器  ６  小型加湿器温度コントローラ
【図４】本発明装置の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明装置に組み込むカセット式ガス流路の例として、種々の形状を示す。流路幅、流路深さなどは、０．３〜１ｍｍなど任意に設計できる。
【図６】本発明装置に使用される、小型加湿器の模式図を示す。（符号の説明）１１  純水補給  １２  熱電対  １３  ガス導入口  １４  ガス出口  １５  ヒーター  １６  純水タンク
【図７】市販の４ｃｍ２単セル（左）と本単セル２ｃｍ２（右）との分極特性を比較した図。黒線は実測した燃料電池の電圧−電流密度曲線（分極曲線）と出力−電流密度曲線、白抜き線及びグレー線はオーム抵抗補正をした電圧−電流密度曲線と出力−電流密度曲線である。ガス流量は４ｃｍ２単セルではＨ２５０ｍｌｍｉｎ−１（量論比２）、Ｏ２１００ｍｌｍｉｎ−１（量論比４）、２ｃｍ２本単セルではＨ２１３ｍｌｍｉｎ−１（量論比１）、Ｏ２２５ｍｌｍｉｎ−１（量論比２）で運転。
【図８】本単セルを用いて、締め付け圧を変化させたときのとの分極特性を比較した図。左は最高出力密度、右は最大電流密度を示し、矢印は締め付け圧上げ下げの方向を示す。
【０００９】  以下に本考案について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。
【実施例１】
【００１０】  ガス流路として、最も一般的に用いられるサーペンタイン型を採用し、加湿器温度６０℃、単セル温度７０℃の条件で、市販の面積４ｃｍ２単セルと面積２ｃｍ２の本装置における燃料電池分極特性を比較した結果を図７に示す。２ｃｍ２セルは、４ｃｍ２セルに比べてガス流量１／４にしても、オーム抵抗補正をすれば出力は同等の０．３１〜０．３４Ｗｃｍ−２を示すことが分かる。
【実施例２】
【００１１】  本単セルにおいて、各種ガス流路を用いた発電試験結果を表１に示す。流路としては、潜り込み型＞フラクタル型＞渦巻き型＞サーペンタイン型の順に優れ、安定性ではフラクタル型＞潜り込み型＞渦巻き型＞サーペンタイン型の順に優れた。
大まかな特徴として、（１）潜り込み型流路は高ガス流量で安定度が低下し、（２）渦巻き型流路は最大出力、最大電流が高く、低過電圧電流が良好、（３）サーペンタイン型では最大電流が良好であるが、低過電圧電流、最大出力が劣る、（４）フラクタル型では出力が安定しているが、最大電流が劣る、というような結果が見られた。
【表１】
0003226768.tif 000013
【実施例３】
【００１２】  ホットプレスのヒーター板の平行度精度が非常に高いことを利用し、単セルを締め付ける際の締め付け圧が燃料電池性能に及ぼす影響を調べた結果を図８に示す。いずれの流路においても測定開始前に締め付け圧力を高い状態に維持した方が、低い状態に維持したよりも高い出力が得られるという、従来得られなかった結果が判明した。
このような実験は、装置のように単セル締め付けが均一にかつ短時間で完了する本ホットプレス一体型燃料電池試験装置を用いたことで可能となり、本装置の有用性が示された。
【実施例４】
【００１３】  単セルを挟むホットプレスのヒーター板の加熱温度が水素極側と酸素極側とで独立にコントロールできる本装置の特長を生かして、一方の電極ヒーターを遮断し運転した場合の発電特性を調べた。その結果、両極ともヒーターを入れ７０℃に保った場合＞水素極のみヒーターを遮断した場合＞酸素極のみヒーターを遮断した場合の順に出力が低下した。
このような実験は本装置のようにホットプレス一体型燃料電池試験装置を用いたことで可能となり、本装置の有用性が示された。
【実施例５】
【００１４】  本装置の単セルを用いて、小型加湿器（内容積３５０ｍｌ）で加湿した場合と市販の加湿器（内容積７００ｍｌ）で加湿した場合の発電特性を比較した結果を表２に示す。
その結果、（１）小型加湿器はガス低流量条件で十分機能する、（２）小型加湿器は市販品の加湿器に比べ、性能はほぼ同等であることが分かった。更に、（３）市販加湿器では昇温に要する時間が１５〜２０分要したのに比べ、小型加湿器では１５分以下と短く、立ち上げ時間が短縮し、良好な性能を示すことが分かった。
【表２】
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【００１５】  以上の実施例において、燃料電池発電試験は次のように行った。
（水素及び酸素ガス供給）
本単セルでは
燃料極側ガスＨ２：１３乃至２５ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
空気極側ガスＯ２：２５乃至５０ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
比較例の市販単セルでは
燃料極側ガスＨ２：５０ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
空気極側ガスＯ２：１００ｍｌｍｉｎ−１、６０℃加湿
（燃料電池セル運転）
本単セル（電極面積２ｃｍ２）、比較例の市販の単セル（ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製、電極面積４ｃｍ２）とも、セル温度７０℃に保ち、０．１２Ｖｍｉｎ−１の速度で電位走査することによって、分極曲線を得た。また、カレントインタラプター法によりｉＲ補償を行った。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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